Photopatterning proteínas e células em Aqueous Ambiente Usando TiO<sub> 2</sub> Photocatalysis
Summary
We describe a protocol for modifying cell affinity of a scaffold surface in aqueous environment. The method takes advantage of titanium dioxide photocatalysis to decompose organic film in the photo-irradiated region. We show that it can be used to create microdomains of scaffolding proteins, both ex situ and in situ.
Abstract
Os contaminantes orgânicos adsorvidos sobre a superfície de dióxido de titânio (TiO 2) pode ser decomposto por fotocatálise sob luz ultravioleta (UV). Descrevemos aqui um novo protocolo empregando o TiO 2 fotocatálise para alterar localmente afinidade de células da superfície do substrato. Para esta experiência, uma fina película de TiO2 era de uma lamela de vidro revestido por borrifamento, e a superfície de TiO2 foi posteriormente modificado com um derivado de organo-silano monocamada octadecyltrichlorosilane (OTS), que inibe a adesão celular. A amostra foi imersa em um meio de cultura celular, e focada luz UV foi irradiada para uma região octogonal. Quando uma linha celular de células PC12 neuronais foram plaqueadas sobre a amostra, as células aderiram apenas na área de irradiação com UV. Mostramos ainda que esta modificação da superfície pode também ser realizada in situ, ou seja, mesmo quando as células estão em crescimento sobre o substrato. Modificação adequada da superfície necessária uma matriz extracelular protein colagénio de estar presente no meio no momento da irradiação UV. A técnica aqui apresentada pode, potencialmente, ser empregues em vários tipos de células para a construção de sistemas de padronização ou co-cultura para manipular células arbitrariamente sob cultura.
Introduction
Processos de litografia de semicondutores e seus derivados, tais como 1,2 – fotolitografia, litografia por feixe de electrões 3-6, e microcontact impressão 7-10 – tornaram-se agora uma ferramenta estabelecida na biologia das células para crescer as células vivas numa posição definida e geometria. O método baseia-se na modelação da utilização de substratos microfabricados, que consiste em micro-ilha de revestimento celular permissiva em um fundo não permissiva. Tal substrato serve como um modelo padrão para as células. Essas tecnologias nos forneceu os novos métodos para manipular células e sua função em um nível simples e multi-celular, para extrair as propriedades intrínsecas das células, e para aumentar a taxa de transferência com base em células de triagem de drogas 11.
O grau de liberdade na modelação de células aumentariam grandemente, se a geometria do modelo padrão pode ser alterada in situ, ou seja, enquanto que as células são cultivadas sobre o Sseu rosto. Os métodos convencionais para a formação de padrão não pode ser directamente aplicados aqui, uma vez que eles processam amostras em atmosfera ou em vácuo. Por isso têm sido propostos várias novas técnicas de modificação de superfície, que se baseiam, por exemplo, em compostos fotorreactivos 12,13 ou ablação a laser 5,14, apenas para citar alguns. Os métodos propostos foram bem avaliada pelo Robertus et al. 15, e mais recentemente por Choi et al. 16 e 17 por Nakanishi.
Aqui neste artigo, descreve-se um novo protocolo de modificação in situ superfície, o que tira proveito da decomposição fotocatalítica de moléculas orgânicas num dióxido de titânio (TiO2) de superfície 18,19. Neste método, é inserida uma película de TiO2 entre o substrato de vidro e o filme orgânico que faz interface das células, e o filme orgânico é decomposto in situ por localmente irradiação ultravioleta (UV)luz de uma região de interesse (λ <388 nm). Mostra-se que o novo protocolo pode ser utilizado para criar micropadrões de proteínas da matriz extracelular e células vivas tanto ex situ e in situ. TiO 2 é biocompatível, quimicamente estável e opticamente transparentes, recursos de que o torna amigável para introduzir em experimentos de cultura celular. Este protocolo fornece uma alternativa ciência dos materiais à base de andaimes para a modificação de cultura celular no ambiente de cultura de células.
Protocol
Representative Results
Discussion
Em nosso protocolo atual, TiO 2 filme foi formado por RF-pulverização catódica. Somos a favor deste método de deposição, uma vez que nos permite preparar de forma reprodutível um fotocatalítico TiO 2 filme com uma rugosidade sub-nm. Embora os processos de deposição por pulverização catódica são familiares aos cientistas de materiais e engenheiros eletrônicos, não pode ser bastante acessível para os biólogos. Nesse caso, o TiO 2 película revestida por rotação seria um…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Authors thank Mr. Kotaro Okubo for the kind assistance with SEM imaging. This work was supported by the Japan Society for the Promotion of Science Grant-in-Aid for Basic Research (B) (20310069), Grant-in-Aid for Research Activity Start-up (25880021), and by research grants from the Kurata Memorial Hitachi Science and Technology Foundation and the Nippon Sheet Glass Foundation for Materials Science and Engineering.
Materials
| Glass coverslip | Warner Instruments | CS-15R15 | 15 mm, #1.5 thickness |
| Diamond scriber | Ogura Jewel Industry | D-Point Pen | |
| RF sputtering system | ANELVA | SPC350 | |
| TiO2 sputtering target | Kojundo Chemical Lab | Titanium (IV) oxide, target | Purity, 99.9% |
| Plasma reactor | Yamato | PR301 | |
| n-octadecyltrichlorosilane (OTS) |
Aldrich | 104817 | |
| Toluene | Wako | 204-01866 | |
| Tissue-culture dish (35 mm) | Greiner | 627160 | |
| Tissue-culture dish (60 mm) | BD Falcon | 353002 | |
| Type-IV collagen | Nitta Gelatin | Cellmatrix Type IV | |
| D-PBS | Gibco | 14190-144 | |
| Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM) | Gibco | 11885-084 | |
| Fetal bovine serum | Gibco | 12483-020 | Heat-inactivate and pass through a 0.22 mm filter before use |
| Horse serum | Gibco | 26050-088 | Pass through a 0.22 mm filter before use |
| Penicillin-streptomycin (100x) | Nacalai tesque | 26253-84 | |
| 7S nerve growth factor (NGF) | Alomone Labs | N-130 | |
| Bovine serum albumin (BSA) | Sigma | A2153 | |
| EDTA | Dojindo | N001 | Stock solution in 0.5 M |
| TiO2 nanoparticle | Tayca | TKD-701 |
Referenzen
- Hughes, M. A., Brennan, P. M., Bunting, A. S., Shipston, M. J., Murray, A. F. Cell Patterning on Photolithographically Defined Parylene-C: SiO2 Substrates. J. Vis. Exp. (85), e50929 (2014).
- Kleinfeld, D., Kahler, K. H., Hockberger, P. E. Controlled Outgrowth of Dissociated Neurons on Patterned Substrates. J. Neurosci. 8, 4098-4120 (1988).
- Pensen, D., Heinz, W. F., Werbin, J. L., Hoh, J. H., Haviland, D. B. Electron Beam Patterning of Fibronectin Nanodots that Support Focal Adhesion Formation. Soft Matter. 3, 1280-1284 (2007).
- Tanii, T., et al. Application of Organosilane Monolayer Template to Quantitative Evaluation of Cancer Cell Adhesive Ability. Jpn. J. Appl. Phys. 50, 06GL01 (2011).
- Yamamoto, H., et al. In-Situ Guidance of Individual Neuronal Processes by Wet Femtosecond Laser Processing of Self-Assembled Monolayers. Appl. Phys. Lett. 99, 163701-1610 (2011).
- Yamamoto, H., et al. Differential Neurite Outgrowth is Required for Axon Specification by Cultured Hippocampal Neurons. J. Neurochem. 123, 904-910 (2012).
- Shen, K., Qi, J., Kam, L. C. Microcontact Printing of Proteins for Cell Biology. J. Vis. Exp. (22), e1065 (2008).
- Johnson, D. M., LaFranzo, N. A., Maurer, J. A. Creating Two-Dimensional Patterned Substrates for Protein and Cell Confinement. J. Vis. Exp. (55), e3164 (2011).
- Singhvi, R., et al. Engineering Cell Shape and Function. Science. 264, 696-698 (1126).
- Chen, C. S., Mrksich, M., Huang, S., Whitesides, G. M., Ingber, D. E. Geometric Control of Cell Life and Death. Science. 276, 1425-1428 (1997).
- Degot, S., et al. Improved Visualization and Quantitative Analysis of Drug Effects using Micropatterned Cells. J. Vis. Exp. (46), e2514 (2010).
- Nakanishi, J., et al. Photoactivation of a Substrate for Cell Adhesion under Standard Fluorescence Microscopes. J. Am. Chem. Soc. 126, 16314-16315 (2004).
- Kim, M., et al. Addressable Micropatterning of Multiple Proteins and Cells by Microscope Projection Photolithography Based on a Protein Friendly Photoresist. Langmuir. 26, 12112-12118 (2010).
- Deka, G., Okano, K., Kao, F. -. J. Dynamic Photopatterning of Cells In Situ by Q-Switched Neodymium-Doped Yttrium Ortho-Vanadate. Laser. J. Biomed. Opt. 19, 011012 (2014).
- Robertus, J., Browne, W. R., Feringa, B. L. Dynamic Control over Cell Adhesive Properties using Molecular-Based Surface Engineering Strategies. Chem. Soc. Rev. 39, 354-378 (2010).
- Choi, I., Yeo, W. -. S. Self-Assembled Monolayers with Dynamicity Stemming from (Bio)chemical Conversions: From Construction to Application. ChemPhysChem. 14, 55-69 (2013).
- Nakanishi, J. Switchable Substrates for Analyzing and Engineering Cellular Functions. Chem. Asian J. 9, 406-417 (2014).
- Yamamoto, H., et al. In Situ Modification of Cell-Culture Scaffolds by Photocatalytic Decomposition of Organosilane Monolayers. Biofabrication. 6, 035021 (2014).
- Sekine, K., Yamamoto, H., Kono, S., Ikeda, T., Kuroda, A., Tanii, T. Surface Modification of Cell Scaffold in Aqueous Solution using TiO2 Photocatalysis and Linker Protein L2 for Patterning Primary Neurons. e-J. Surf. Sci. Nanotech. 13, 213-218 (2015).
- Arima, Y., Iwata, H. Effects of Surface Functional Groups on Protein Adsorption and Subsequent Cell Adhesion using Self-Assembled Monolayers. J. Mater. Chem. 17, 4079-4087 (2007).
- Fujishima, A., Zhang, X., Tryk, D. A. TiO2 Photocatalysis and Related Surface Phenomena. Surf. Sci. Rep. 63, 515-582 (2008).
- Sigal, G. B., Mrksich, M., Whitesides, G. M. Effect of Surface Wettability on the Adsorption of Proteins and Detergents. J. Am. Chem. Soc. 120, 3464-3473 (1998).
- Zhang, X., et al. A Transparent and Photo-Patternable Superhydrophobic Film. Chem. Commun. 2007, 4949-4951 (1039).
- Kaech, S., Banker, G. Culturing Hippocampal Neurons. Nat. Protoc. 1, 2406-2415 (2006).
